引言

GR2純鈦具有密度小、耐腐蝕性好和人體親和性較好等特點，可以用來制作手表框及表蓋。由于手表兼具裝飾性功能，對手表用鈦材的表面和組織均勻性要求較高，如果材料存在組織不均勻或其他缺陷時，會影響成品的美觀和使用。

GR2純鈦棒材在平端頭工序中，會出現如圖１所示缺陷，此類缺陷呈點狀，不規則地分布在棒材端部，且會沿棒材縱向延伸，延伸長度依據缺陷大小而定。此類缺陷在端面打磨、拋光后更加明顯，呈浮凸狀。圖２所示為帶有缺陷的GR2純鈦棒材制成表蓋后點狀缺陷的形貌。從圖中可見，棒材經過切斷、鍛壓、沖壓、打磨、拋光后，點狀缺陷并沒有消除，反而更加明顯，嚴重影響了手表的美觀和使用。因此，分別對此類典型缺陷的化學成分、顯微組織和維氏硬度等進行測試，并對點狀缺陷產生的原因及應對措施進行分析，以期能夠解決此類問題。

1、實驗

實驗材料為GR2純鈦棒材，規格為φ20ｍｍ，化學成分如表１所示。棒材端面典型點狀缺陷見圖３，圖中可見ａ、ｂ兩處缺陷，觀察發現ａ處缺陷顏色較深，與基體反差較大；表面有凸起現象，并有孔洞；且分布集中，呈塊狀區域。ｂ處缺陷呈發散狀，分布區域較大，表面有凸起現象。

為了進一步分析缺陷區域與基體組織的差異，沿典型缺陷ａ區和ｂ區中心部位（圖３中畫線位置）沿棒材縱向切割。采用OLYMPUSPMG3型倒置式顯微鏡觀察其斷面顯微組織；采用401MWD型數顯顯微維氏硬度計測量ａ、ｂ兩處缺陷和基體的顯微硬度，保壓時間為30ｓ，加載載荷為300ｇ；采用JSM-6460掃描電鏡的EDS附件分析缺陷區域的化學成分；采用島津公司EPMA-1600型探針顯微分析儀（EPMA）對ａ區縱向微量元素進行定量分析。

2、結果與討論

2.１　縱向顯微組織分析

缺陷樣品沿縱向切割后的顯微組織如圖４所示，放大倍數均為50倍。圖４ａ、ｂ、ｃ分別為缺陷ａ區上端面、中部和下端面的顯微組織，圖４ｄ、ｅ、ｆ分別為缺陷ｂ區上端面、中部和下端面的顯微組織。

由縱向顯微組織可以看出，缺陷ａ區和缺陷ｂ區均呈條帶狀，沿棒材縱向延伸，有一定的區域性；缺陷以外的基體組織為典型純鈦等軸α組織，晶粒等級約為９級，晶粒大小均勻，晶界清晰，并且無“沿縱向延伸”這種現象。

圖４ａ中缺陷ａ區可見明顯孔洞，并且沿縱向拉長；從圖４ｂ、ｃ可以看出，缺陷ａ區縱向中部和下端面部沒有孔洞，但是金相組織同周圍正常部位相比呈現出異常，可看到沿著棒材縱向有明顯的條帶狀延伸，有明顯的區域性，邊界清晰，呈集束狀；

集束內的顯微組織無論形貌還是晶粒大小都與兩邊基體組織一致，只是在集束區內的晶粒有“褶皺”現象，這種組織形貌應為ａ區端面缺陷延伸至該處“弱化”的一種體現，并未造成組織的改變，只是影響界面形貌，最終缺陷區域逐漸消失。

圖４ｄ、ｅ、ｆ為典型缺陷ｂ區的縱向顯微組織。由圖中可見，該區域兩端面和中部區域顯微組織基本一致，呈發散狀的縱向延伸，缺陷區與基體區存在過渡區域，且彌散分布；缺陷區組織為條帶狀，并且與基體逐漸過渡，從沒有明顯的晶界演變為晶界逐漸清晰的拉長狀晶粒，最終演變為晶界完整的等軸組織。

綜上，缺陷區域包括孔洞及異常組織等冶金缺陷，且均沿棒材縱向拉長、延伸，這是由于鈦錠在鍛造、熱軋加工成棒料時，孔洞等缺陷沿縱向被拉長并殘留在材料當中。

2.2　顯微硬度測試

圖５為GR2純鈦棒材各區域顯微硬度分布圖。

從圖中可以看出，缺陷區域（ａ區和ｂ區）的顯微硬度值明顯高于基體，為3420～3696MPa，約為基體顯微硬度的２倍。基體組織硬度分布較均勻，為

1607～1803MPa；缺陷ａ區域附近基體硬度分別為1793、1803MPa，略高于缺陷ｂ區附近基體的硬度，說明兩處缺陷對附近基體組織顯微硬度的影響程度不同，缺陷ａ區對基體顯微硬度影響較大。

２.３　化學成分分析

為了分析缺陷區域化學成分，利用EDS能譜儀對上述樣品基體和兩缺陷區域進行成分檢測，結果如表２所示。從EDS分析結果可見，基體與缺陷區域主元素成分一致，均為Ti，無其他成分差異，由于EDS檢測的精度有限，推斷應屬于微量的雜質含量差異。利用EPMA分析方法對缺陷區域ａ進行面掃描分析，由于Ｈ元素質量較小，對Ti、Fe、C、N、O進行分析，結果如圖６所示。

其中，C、Ti、Fe的色帶度量單位為質量分數（w％），N、O的色帶度量單位為特性Ｘ射線強度。由EPMA分析結果可見，Ti、Fe、C、O元素含量均勻一致，缺陷區域與基體部分含量相近，無明顯區別；N元素濃度在缺陷區域明顯高于周圍基體。由此可見，缺陷區域顯微組織和顯微硬度的差異是由于N元素的異常分布（氮富集）導致的。

3、改進措施

通常來說，鈦與氮的親和性較高，氮元素會對金屬鈦的機械性能產生影響。氮含量過高時，鈦會變硬變脆。綜上，GR2純鈦棒材中的點狀缺陷應為熔煉時局部產生了氮富集，其中一些氮以氣泡的形式殘留在鑄錠當中；鈦錠中有氣泡殘留的地方經鍛造軋制加工后，氣泡產生的孔洞沿縱向被拉長殘留在材料當中；由于金屬鈦中氮元素會對材料機械性能產生影響，鈦錠在鍛造、熱軋加工成棒料時由氮富集所導致的機械性能異常部位則沿棒料被縱向拉長；棒料經橫向切割、拋光后，氮富集導致的機械性能異常部位就呈現了表面異常（浮凸狀）現象。因此，分析認為該缺陷產生的主要原因是鑄錠熔煉時產生了氮富集，原材料或者熔煉時的環境控制環節出現了某些問題。

通過對鑄錠的真空電弧熔煉過程進行分析，產生該問題的原因應為：①海綿鈦的純潔度不高，低品質海綿鈦中含有富N的TIN顆粒，熔煉時未剔除干凈；②在電極焊接時未采取有效的保護措施，焊接時大氣介質導致N元素增加。后續在熔煉過程中針對以上兩點進行改善、驗證，預先進行海綿鈦的篩選，剔除氮化的海綿鈦塊（TIN）、帶殘渣或富鐵及伴生元素的海綿鈦塊；電極組焊時用氬氣保護等離子焊接，避免焊縫出現發藍等氧化、氮化現象。經過幾批次驗證，成品棒材組織均勻，無點狀缺陷等類似缺陷，該問題得到明顯改善。

4、結論

(1) GR2純鈦棒材端部點狀缺陷具有以下特質：宏觀可見凸起現象，其中一些有孔洞；缺陷區域沿棒料縱向延伸，顯微組織同周圍正常組織相比呈現異常；缺陷區域的顯微硬度約為基體顯微硬度的２倍；缺陷區域位N含量較高（氮富集）。

(2) 氮元素會對金屬鈦的機械性能產生影響，氮含量過高鈦會變硬變脆。文中所述GR2純鈦棒材中的點狀缺陷應為鑄錠熔煉時局部產生了氮富集，可能原因為：一是海綿鈦里含有富N的TIN顆粒，熔煉時未剔除干凈；二是在電極焊接時未采取有效的保護措施，焊接時接觸大氣導致N元素增加。

(3) 熔煉純鈦鑄錠時預先進行海綿鈦的篩選，剔除氮化的海綿鈦塊（TIN），電極組焊時用氬氣保護等離子焊接，避免與大氣接觸，可有效避免此類缺陷。

參考文獻

[1] 張喜燕，趙永慶，白晨光．鈦合金及應用［M］．北京：化學工業出版社，2005:92．

[2] 稀有金屬材料加工手冊編寫組．稀有金屬材料加工手冊［M］．北京：冶金工業出版社，1984．

[3] 王海，魏芬絨，崔文俊，等．超低間隙TC4鈦合金形變熱處理工藝［J］．材料熱處理學報，２2015，36(1)：52-55．

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